Fusión de técnicas ópticas de imagen para la caracterización de distrofias musculares

Abstract

Las distrofias musculares son un grupo de miopatías hereditarias caracterizadas por debilidad y degeneración muscular progresiva, lo que conlleva una discapacidad física significativa y una reducción de la calidad de vida. Los métodos de diagnóstico actuales a menudo se basan en procedimientos invasivos como las biopsias musculares, que pueden ser dolorosas, acarrear riesgos y no ser fácilmente accesibles. Esta tesis doctoral explora el potencial de las técnicas avanzadas de imagen óptica como herramientas no invasivas para el diagnóstico y el seguimiento de las distrofias musculares, con el objetivo de proporcionar información detallada sobre la estructura, composición y función muscular de músculos sanos y distróficos. Esta investigación utiliza un conjunto de datos único de tejido muscular esquelético ex vivo de ratones para investigar exhaustivamente las propiedades ópticas asociadas con la enfermedad. El objetivo principal de esta tesis es evaluar la viabilidad y la eficacia de varias modalidades de imagen óptica para ayudar en el diagnóstico y la evaluación de la distrofia muscular. Entre las técnicas seleccionadas se incluyen: tomografía de coherencia óptica sensible a la intensidad y la polarización (OCT/PS-OCT), imagen hiperespectral en los rangos visible-infrarrojo cercano (HSI-VISNIR) e infrarrojo de onda corta (HSI-SWIR), imagen de dominio de las frecuencias espaciales (SFDI) e imagen de matriz de Mueller multiespectral (MMI). Cada técnica ofrece capacidades únicas para visualizar diferentes aspectos del tejido muscular. OCT y PS-OCT proporcionan información microestructural de alta resolución, siendo PS-OCT particularmente útil en la evaluación de la birrefringencia, un indicador clave de la organización de las fibras musculares. HSI en ambos rangos espectrales permite la identificación y cuantificación de los componentes del tejido en función de sus firmas espectrales. De la misma manera, SFDI proporciona información similar a la de HSI, con la ventaja de poder desacoplar el esparcimiento y la absorción. MMI ofrece una caracterización exhaustiva de las propiedades de polarización del tejido muscular, proporcionando información sobre el retardo, la diatenuación y la despolarización. Los hallazgos de esta tesis demuestran el potencial significativo de estas técnicas ópticas para caracterizar la patología muscular en las distrofias musculares. El análisis PS-OCT reveló que la birrefringencia es un marcador más sensible a los cambios relacionados con la distrofia que la atenuación, probablemente debido a la alteración de la organización de las fibras musculares que ocurre a una escala lo suficientemente pequeña como para no ser detectable como variaciones de intensidad, sino como variaciones de fase. Las medidas HSI y SFDI indicaron características espectrales distintas y diferencias en las propiedades de esparcimiento y absorción entre las muestras sanas y distróficas, lo que sugiere acumulación de grasa y contenido alterado de cromóforos en el tejido enfermo. El análisis MMI destacó la despolarización como un parámetro clave para distinguir el músculo sano del tejido dañado y de la grasa, con el beneficio adicional de que los clasificadores polarimétricos simplificados logran una precisión comparable al análisis completo de la matriz de Mueller, lo que abre las puertas a la polarimetría parcial de Mueller para lograr un diagnóstico muscular rápido. El análisis de datos multimodales, a pesar de presentar desafíos debido a la variabilidad entre muestras y al enfoque de muestreo aleatorio, ofreció una comprensión más rica de la patología muscular al considerar tanto los aspectos estructurales como los químicos. Si bien una combinación directa de todas las características para la clasificación no superó consistentemente a las modalidades individuales, el tratamiento de cada técnica de imagen como una fuente de información independiente mostró resultados prometedores, lo que sugiere el potencial de dispositivos de diagnóstico especializados adaptados a modalidades ópticas específicas. Las técnicas de visualización resaltaron eficazmente las diferencias clave en la birrefringencia y la organización del tejido entre los tejidos sanos y distróficos, lo que hace que estas técnicas sean útiles para ayudar a identificar las áreas dañadas en el músculo. En conclusión, esta tesis demuestra que las metodologías de imagen óptica son muy prometedoras para ayudar en el diagnóstico y el seguimiento de las distrofias musculares. Al proporcionar una evaluación no invasiva, sin marcadores y potencialmente en tiempo real de la estructura y composición del tejido muscular, estas técnicas pueden complementar los métodos de diagnóstico existentes, lo que podría conducir a una detección más temprana, una mejor comprensión de la progresión de la enfermedad y el desarrollo de estrategias terapéuticas más eficaces para las personas que viven con distrofias musculares. Los esfuerzos futuros deberían centrarse en refinar estas técnicas, validar su utilidad clínica a través de estudios más amplios y desarrollar herramientas prácticas para aplicaciones in vivo para alcanzar su máximo potencial en el manejo de este grupo de enfermedades debilitantes.

Muscular dystrophies are a group of inherited myopathies characterized by progressive muscle weakness and degeneration, leading to significant physical disability and reduced quality of life. Current diagnostic methods often rely on invasive procedures like muscle biopsies, which can be painful, carry risks, and may not be readily accessible. This PhD dissertation explores the potential of advanced optical imaging techniques as non-invasive tools for the diagnosis and monitoring of muscular dystrophies, aiming to provide detailed information about muscle structure, composition, and function. This research utilizes a unique dataset of ex-vivo mice skeletal muscle tissue, both healthy and dystrophic, to comprehensively investigate the optical properties associated with the disease. The primary objective of this thesis is to evaluate the feasibility and efficacy of several optical imaging modalities to aid in muscular dystrophy diagnosis and evaluation: intensity and polarization-sensitive optical coherence tomography (OCT/PS-OCT), hyperspectral imaging in the visible-near infrared (HSI-VISNIR) and short-wave infrared (HSI-SWIR) ranges, spatial frequency domain imaging (SFDI), and multispectral Mueller matrix imaging (MMI). Each technique offers unique capabilities for visualizing different aspects of muscle tissue. OCT and PS-OCT provide high-resolution microstructural information, with PS-OCT being particularly useful in the assessment of birefringence, a key indicator of muscle fiber organization. HSI in both spectral ranges allows for the identification and quantification of tissue components based on their spectral signatures. At the same time, SFDI provides similar information to that of HSI, with the advantage of being able to decouple scattering and absorption. MMI offers a comprehensive characterization of the polarization properties of muscle tissue, providing insights into retardance, diattenuation, and depolarization. The findings of this thesis demonstrate the significant potential of these optical techniques for characterizing muscle pathology in muscular dystrophies. PS-OCT analysis revealed that birefringence is a more sensitive marker to dystrophy-related changes than attenuation, likely due to the disruption of muscle fiber organization occurring at a small enough scale to not be detectable as intensity variations but at phase variations instead. HSI and SFDI measurements indicated distinct spectral characteristics and differences in scattering and absorption properties between healthy and dystrophic samples, which suggests fat accumulation and altered chromophore content in diseased tissue. MMI analysis highlighted depolarization as a key parameter for distinguishing healthy muscle from damaged tissue and fat, with the additional benefit of simplified polarimetric classifiers achieving comparable accuracy to full Mueller matrix analysis, opening the doors to partial Mueller polarimetry for achieving fast muscle diagnosis. Multimodal data analysis, while presenting challenges due to inter-sample variability and to the random sampling approach, offered a richer understanding of muscle pathology by considering both structural and chemical aspects. While a direct combination of all features for classification did not consistently outperform individual modalities, treating each imaging technique as an independent source of information yielded promising results, suggesting the potential for specialized diagnostic devices tailored to specific optical modalities. Visualization techniques effectively highlighted key differences in birefringence and tissue organization between healthy and dystrophic tissues, making these techniques useful to aid in pinpointing damaged areas in the muscle. In conclusion, this dissertation demonstrates that optical imaging methodologies hold significant promise for aiding in the diagnosis and monitoring of muscular dystrophies. By providing non-invasive, label-free, and potentially real-time assessment of muscle tissue structure and composition, these techniques can complement existing diagnostic methods, potentially leading to earlier detection, improved understanding of disease progression, and the development of more effective therapeutic strategies for individuals living with muscular dystrophies. Future efforts should focus on refining these techniques, validating their clinical utility through larger studies, and developing practical tools for in vivo applications to reach their full potential in managing this debilitating group of diseases.